解质脉冲薄层水流流速测量仪使用说明书

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                           一、原理

该仪器是中国科学院水利部水土保持研究所百人计划专项研制，获得国家发明技术的土壤侵蚀科研专用仪器，仪器研制成功后在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室经过2年大量土壤侵蚀科研实验应用，完成多项科研实验任务，取得了良好的实验效果，目前已在多个科研机构获得应用。

为了实现电解质脉冲的产生、溶质迁移曲线测量和速度计算，并适应上文要求，设计操作/控制系统如下，系统由四部分组成，即电解质脉冲发生器、感应探针、数据采集与存储及参数计算，前两部分主要实现控制功能，后两个部分简称为测量操作系统。

电解质脉冲发生器：要产生一个电解质脉冲波，要求加入电解质的时间很短，或相对于测量时间很短并且要求加入的电解质溶液适量，据此设计电解质脉冲发生器如下图所示。

              电解质脉冲发生器

    在上图中，电解液的容器为有机玻璃制作的马氏瓶(1)，容量约为250m1。电解液采用饱和的KC1溶液。为保证容器恒压，上端插入有机玻璃管(2)，孔径为lmm。下端有10* 0. 6mm的小孔(3)，小孔开闭由电磁阀(4, 5)控制。平时小孔为常闭，电磁阀控制活塞开的时间间隔为100-6000ms，若时间间隔为500ms时，释放KC1溶液为6ml。

感应探针和数据采集：感应探针为直径为0. 4mm，长2Ocm的钢针，感应探针的电源控制如下图所示。

                       
感应探针和数据采集电路

     感应探针之间间隔为3.5cm，输入电压为10士0. 05V，调节电阻RP1(上图)可调整输入电压。经分压后输出探针检测的信号。信号通过通用数据采集控制板，经模数板转换成数字信号，输入计算机存储。本系统设计成可同时测量多点的信号，多可同时使用10组感应探针，这些感应探针分别与数据采集管理器端口连接。数据采集开关用程序控制，开始时间与电解液注入时间同步。采集数据的频率根据需要可分别设定为1, 5, 10, 50, 100, 500和1000点/s，测量时间长度短为ls。

参数计算：  参数操作系统共分为数据输入和结果输出两部分。数据采集主要包括参数设置和信号控制、数据管理和图形显示四部分。参数设置主要包括存储数据文件名、测量距离和脉冲时间。每次数据用三个同名、但扩展名不同的文件存储，采集的原始数据文件名用*. nls(二进制)、计算的参数结果用*. jgl（文本格式)，与原始数据对照的计算值用*. jg2(文本格式)存储。采集与计算可以设置为同时进行，也可以先采集，然后计算。连续采集时，存储原始数据的文件名自动加1，如开始设置文件名为file_ 001. nls，则第二次采集时自动更改为file_ 002. nls。测量距离的初始值为0. 5-5.Om，间隔为0.5m，共分十组，与测量探针对应，可根据需要更改。脉冲时间为600ms，可设置为60s，在电解质脉冲发生器的性能提高后，小可设置为10ms，但这同时要求加大单位时间的脉冲量以保持测试结果的显著性。以上数据可以在本系统中用图形显示，显示形式可以是线型或点型，或者用打印机输出。也可以用其它软件如Excel重现(采集的原始数据需用本系统导出同名的*.dat文本文件)。

    可知只有两个待定参数，可用小二乘法采集对原始数据进行拟合。拟合程序用Visual Basic语言编写，流程框图如下图所示。

读入采集的原始数据
 
数据归一化
 
设定参数初值
 
循环计算使计算值与实测值的误差小
 
输出计算结果并图形显示
 

                       参数计算流程框图

参数初值用黄金分割法确定，即先假定C0的初始值为测量的值，速度值Umax为距离与C出现值的时间比值，小值Umin为零，然后设速度为U=Umin+0. 618*Umax，这样经循环计算确定合适的U值，由U值计算DH。这样由初始DH,C0值和小二乘法计算出参数u,DH和C0.

系统功能: 为了实现测量自动化，采用Visual Basic语言编写了操作/控制系统。利用Basic

语言的特点，操作系统共为四大模块;即采集控制模块、数据存储模块、计算模块、显示模块和结果存储模块，其结构如下图所示。这些模块主要实现以下功能:

①  用采集板对数据进行采集，本测量系统数据控制采集板  的分辨率为12bit，通过率为40KHz，输入电压信号为士lOV;安装在数据采集管理器中。

②过电路对电解质脉冲发生器进行控制，使数据开始采集时，电解质脉冲发生器产生一个电解质脉冲。

③可与计算分离，计算结果自动。存储。

④采集时间和频率可调，能适应不同条件下的测量工作。设计采用中英文两个版本，实现产品国际化。

采集控制模块
 
数据存储模块
 
计算模块
 
结果存储模块
 
显示模块
 
控制ID板和电磁阀，产生电脉冲和采集数据
 
存储采集的原始数据，和实验条件参数
 
计算水流速度和泥沙含量
 
合并存储实验和模拟结果及计算结果
 
操作系统的功能模块
 
 

二、仪器组成

                流速测量探针   10个

          电解质脉冲发生器：1个

          数据采集管理器：  1台

          数据分析管理软件：1份

          操作使用说明书：  1份

三、   参数性能

参数：

    流速测量相对误差小于：8%

    同时监测10个点的流速时空变化

主机工作温度范围为0～+60°C，相对湿度为10～90﹪

采样频率范围1—100点/秒（大于100按100点计算），采样时间范围1—1000秒，放大倍数1—2—4三个倍数。

使用交流220V～250V、60HZ供电，220V可一直于仪器连接，

     功率：小于1瓦。

仪器使用寿命大于7年

性能：

            可实时在线监测测量多点坡面薄层水流流速

            设定初始参数后，整个测量过程全自动完成

数据分析、流速换算、存储自动完成

                四、仪器操作使用说明

将电解质脉冲发生器固定好，沿水流方向将实验要使用的探针依次排开，并记录各探针坐标（以电解质脉冲发生器喷嘴正下方为原点），通过计算控制程序按预先设定的时间打开电解质脉冲发生器上的电磁阀，释放出一定量的KCL溶液，即在被测薄层水流的基础上叠加KCL溶液，KCL溶液与被测薄层水流混合后，将以被测薄层水流相同的速度运动，当其经过各个探针时都会引起探针周围电导率的突变，测量探针的电导率，采用模型算法，就可算出被测薄层水流流速。

系统软件的使用说明

一、系统的操作使用

1、插入系统光盘

2、弹出对话框，系统提示“安装程序不能安装系统文件或正在使用的共享文件。在继续之前，建议您关闭任何正在运行的应用程序。”单击“确定”按钮。

3、弹出对话框，其中“更改目录”选项可选择安装路径，单击安装图标继续。

4、在弹出的对话框中，单击“继续”按钮

5、弹出对话框，提示安装成功，单击“确定”按钮，完成安装，用户还可在桌面上创建快捷图标，便于使用

二、系统软件的功能

在Windows环境下，在桌面上双击快捷图标运行系统，进入以下界面：

            操作系统界面

实验条件设定和数据采集界面采用了下拉式菜单，共分五个主菜单:实验管理、采集控制、曲线设置、数据操作和帮助，其具体功能如下。

    ①实验管理

    实验管理包含5项选择:

    新实验—测量后，恢复到待测状态;

    实验另存为—对已测量的实验结果保存为新的文件;

    读入实验—读入已测实验，以便其他后续工作，如计算等;

    New O1—此为系统假定的开始文件名，点击可以改变初始设定值，下次实验，系统自动在后一位序列上加1;

    退出—退出系统;

    ②采集控制

    采集控制主要是设置测量点之间的距离和频率等实验初始条件。

    采集数据—此和界面左侧的采集按钮功能一样，使系统产生电脉冲并进入采集状态;

    采集设置—设置实验的初始条件，一是通道设置，系统可同时使用10组感应探针；二是曲线色彩，选择10组通道所采集数据在屏幕上显示的颜色，使显示效果更适合用户:三是探点坐标，设置感应探针与电解质脉冲发生器之间的距离，单位为M；四是采集频率，确定单位时间内数据采集量，即每秒内采集的点数，单位为点/秒，为10000点/秒，小为1点/秒;五是采集时间，短为1s，长为10000s；（注意：时间和点的成绩不能大于等于10000）六是电解质脉冲发生器控制部分，可设置脉冲宽度和脉冲器离所测水流的高度；

    ③曲线设置—分为坐标网络、连线/点作图和全部显示，此主要确定屏幕显示的环境和形态。

    ④数据操作—导出数据和输出图形;导出数据是指将系统开始以ASCI工码存储的实验数据保存为.dat格式文件;

    ⑤帮助—系统说明书。

硬件连接使用说明

一、仪器的连接。

电解质脉冲薄层水流流速测量仪中的数据采集管理器背面如下图所示：

1、        图中1——10为探针接口，将实验用探针与依次与各自接口连接

2、        将电解质脉冲发生器与“打阀”接口连接

3、        “电源”与220伏交流电源连接

4、        用数据线将“RS232”接口与计算机串口连接

实验操作：

  1、准备工作

1、完成仪器的连接，

2、将电解质脉冲发生器固定于土壤中的适当位置，并以此位置为原点在薄层水流流经观测点处将探针插入土中(下游探针序号和坐标距离总大于此探针为参考的上游探针)

3、打开数据采集管理器的开关，

4、计算机运行系统进入系统主界面，单击“采集控制”选项，在弹出的下拉菜单中选择“采集设置”，选择通道号；然后填入探针坐标(此探针距电解质脉冲发生器直线距离,单位:米)；分别设定采样频率(每秒数据采集点数,一般选用10/S)、采样时间(比薄层水流从电解质脉冲发生器到后一个探针流经的时间稍大)、脉冲宽度(释放盐水的时间即盐水量)和脉冲器高度(电解质脉冲发生器喷嘴距地面高度)，以上各参数设置时,将光标置于参数数字上,左击增加,右击减少,单击“关闭设置”，完成采集设置；。

5、单击系统主界面中的“试验管理”选项，在弹出的下拉菜单中选择“试验另存为”选项，选择试验文件的保存位置。

6、形成被测薄层水流，然后单击计算机系统主界面上左下方的“采集数据”选项，电解质脉冲发生器释放KCL溶液，当KCL溶液随被测薄层水流流经每一探针时，计算机会自动以波峰的形式记录下该探针周围电导率的变化

7、如需进行下试验则重复执行步骤4——6

8、如计算机系统显示的波幅过小不便于观察，可将数据采集管理器正面的“放大倍数”按钮调至2或4倍

9，模型求解：主要用于用扩散模型自动求解各探针每次测量时的瞬时速度，每次数据采集完毕形成电导曲线图，可单击＂模型求解＂，即可得出速度拟合叠加曲线图,此图下部的信息框中,显示扩散系数(C0),探针处瞬时速度(u,米/秒),及其他数理统计偏差参数.

10.数据的处理：单击系统主界面上的“数据操作“选项，在弹出的下拉菜单中单击“导出数据”选项，在弹出的“另存为”对话框中选择要导出的数据文件名，单击“保存”按钮，在弹出的对话框中选择导出文件的存储位置并重新对文件命名，单击“保存”按钮，完成导出数据，导出的数据以txt的文本文件方式存在,用户可根据各自需要，对其进行操作处理

试验实例： 

在长为4m宽15cm的有机玻璃槽的底部贴上砂纸，模拟土壤表层，坡度可调。水流量控制在0.0004m3/s士10%，泥沙含量为100kg/m'。坡度调至120，在水流稳定后(约lm处)、滴入电解液的时间为600ms，由六组感应探针分别在0.5m, 1.0m, 1.5m,2. 0m, 2.5m和3.0m进行测量，采集频率为100点l秒。在用电解质脉冲法测量的同时，用流量法测量流速，即用积分桶测量流量Q(m3/s)，水位计测量水深H(m)，结合水槽宽度D(m)，可计算流速。测量电导波形结果如下图，点击软件主界面左下面的模型求解，可得计算结果如下表所示。

从图电导波形图可知，本仪器测量效果较好，第六组探针由于固定不太好，有轻微的震动，测量结果有一定的波动。测量曲线的值也是一个逐渐减小的趋势。对实测结果归一化和小二乘法拟合后，可得到参数如下表所示，表中R2为决定系数，σ为标准差。参数代入拟和公式，可得模拟曲线和实测结果的比较图，在测试距离大于或等于lm时模拟结果与实测结果非常吻合，决定系数均大于0.9，标准差小于0.01。

计算程序拟合结果

Label 1. Nonlinear regression results

测试距离（m）
 0.5
 1
 1.5
 2
 2.5
 3
 
C0
 0.25
 0.73
 1.35
 1.82
 2.36
 2.84
 
u(m/s)
 0.744
 0.952
 1.024
 1.056
 1.021
 1.035
 
DH
 0.19
 0.039
 0.042
 0.028
 0.031
 0.021
 
Σ
 0.017
 0.004
 0.002
 0.002
 0.001
 0.007
 
R2
 0.61
 0.94
 0.96
 0.95
 0.97
 0.98
 
流量法（u′,m/s）
 1.03
 1.03
 1.04
 1.05
 1.06
 1.06
 
误差（%）
 38
 7.5
 1.5
 0.5
 3.6
 2.5
 

实测电导波形如下：

                       实测电导波形图

归一化实测和模拟结果如下：

                  实测电导波形归一化图

     当测试距离大于lm时，电解质脉冲法与流量法测量的水流速度误差很小，说明电解质脉冲测量薄层水流速度是可行的。但在测试距离小于lm时，尽管采集数据从理论和图形来看是合理的，但用此模型计算的结果与流量法的测量结果有较大的误差，从拟合图形上也能清楚地看到。这可能是本系统研制的电解质脉冲发生器的脉冲时间相对于测量时间而言太大。在测试距离为lm时，两种方法测量结果仍有较大的误差，因此测量距离与电解质脉冲发生器的脉冲频率有关，要缩短测量距离需进一步改进电磁阀的电路，并选择更好的电磁阀，加快反应时间。

总结：为了测量薄层水流流速，本系统在盐液示踪法的基础上对测量手段进行了大量的

改进，实现了以下功能:

    (1)采用合理的探针，探针电压可调，使之有效地感应到电导率的变化，并有效地提高测量。

    (2)设计了比较合理的电解质脉冲发生器，不仅能智能控制其脉冲波长，同时能使之与测量同步。

    (3)图形显示清晰，存储结果清楚，能有效地提高测量效率。

    (4)电解质脉冲迁移模型的拟合结果与实测结果比较吻合，说明测量和拟合都是可行的，说明电解质脉冲法测量薄层水流速度是可行的。

    (5)系统实现了采集、成图、计算、输出等自动化，为其它测量方法(如热脉冲)的研究提供了较好的平台。为使测量平均速度的距离更短，需在脉冲频率方面做一定的改进。

    综上所述，电解质脉冲法测量水流速度和泥沙含量系统实现了快速、自动测量薄层水流流速的功能。